廢膠粉/納米二氧化硅半柔性瀝青混合料路用性能分析

■李永兵 王 偉

（1.湖南民道工程檢測有限公司，長沙 410004；2.湖南交通職業(yè)技術學院，長沙 410132）

半柔性路面近年來在中國、日本、荷蘭以及英國等國家流行，其起源于20 世紀的法國，長期的研究結果表明半柔性路面既具有瀝青路面的柔韌性，又具有混凝土路面的剛性，被廣泛用于公路隧道、平交道口、公交車站及長大縱坡路段[1]。 半柔性路面作為一種非均質路面，其由多孔瀝青組成，采用的開級配空隙率為20%～30%，灌漿材料則選用水泥砂漿[2]。水泥砂漿通常由水泥、砂和水組成[3]，其質量主要受材料性能、級配、養(yǎng)護時間與水灰比等多種因素影響。 為獲得流動性好、強度高、干縮小以及附著力高的水泥砂漿，諸多學者研究了不同材料對水泥砂漿性能的影響效果及機制[4]。 其中納米二氧化硅基于納米粒子表面效應與小尺寸效應，可通過二次反應細化水泥砂漿界面中的氫氧化鈣晶粒，強化水化硅酸鈣凝膠反應，從而改善水泥漿體的堆積效果，進而提高水泥砂漿的力學性能[5]。 方智全[6]研究結果表明，納米二氧化硅可提高水泥砂漿的抗壓強度與微觀結構密實度。 佟鈺等[7]研究顯示，隨著納米二氧化硅粒徑的減小，水泥砂漿各齡期抗壓強度先增大后減小。近年來，廢膠粉在瀝青路面中的應用較多。呂松濤等[8]研究顯示，橡膠粉可實現水泥穩(wěn)定碎石斷裂能增大，模量可調、可設計的功能。 王輝等[9]研究顯示，廢膠粉復合改性瀝青的相容性優(yōu)于普通膠粉。此外，廢膠粉對瀝青混合料性能中諸如耐久性、穩(wěn)定性、抗損傷性以及疲勞壽命的影響已有較為深入的研究[10-12]。 然而，廢膠粉與納米二氧化硅聯用對半柔性路面路面性能的影響尚未完全了解。 基于此，本研究通過使用納米二氧化硅替代水泥砂漿中部分水泥，并在混合料制備過程中加入廢膠粉，并經抗壓強度、抗彎拉強度、干縮率試驗、抗滑性能以及耐久性試驗分析廢膠粉/納米二氧化硅半柔性瀝青混合料的路用性能及最佳摻量。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

本研究使用的I-C 類SBS 改性瀝青、 粗細集料、礦粉以及水泥的技術性能如表1～5 所示。 廢膠粉采用60 目粒徑，其技術性能如表6 所示。 納米二氧化硅取自河北某公司，其粒徑小于100 nm，采用減水劑作分散劑結合超聲分散進而獲得分散均勻的納米二氧化硅。

表1 SBS 改性瀝青技術性能

表2 粗集料技術性能

表3 細集料技術性能

表4 礦粉技術性能

表5 水泥技術性能

表6 廢膠粉技術性能

1.2 試驗方法

1.2.1 半柔性瀝青混合料的制備

本次研究采用OGFC-16 級配中值作為基體瀝青混合料，即在19、16、13.2、9.5、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm 粒徑下，通過率分別為100%、95.0%、80.0%、57.5%、21.0%、16.0%、12.0%、9.5%、7.5%、5.5%、4.0%。 依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中擊實法規(guī)程，采用雙面各擊實50 次的方式制備馬歇爾試件，并確定其最佳瀝青用量為3.54%，對應空隙率為24.8%。 為研究廢膠粉對半柔性路面的影響，將占瀝青質量3%、4%以及5%的廢膠粉加入180℃的SBS 改性瀝青中攪拌5 min，并制備基體瀝青混合料。

依據《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》（JT/T 1239-2019）制備水泥基灌漿材料，灌漿材料的流動度為13 s 以使其能順利灌入基體瀝青混合料中。制備了4 種摻量納米二氧化硅的水泥砂漿，分別為替代水泥重量的2%、4%、6%以及8%。 將基體瀝青混合料放置在振動臺上，用灌漿材料在1 h 內充分灌滿混合料，從而獲得半柔性瀝青混合料。 其中抗壓強度、干縮試驗以及耐久性試驗采用φ100 mm×100 mm的馬歇爾試件，抗滑性能采用300 mm×300 mm×50 mm 的車轍板試件，而抗彎拉試驗采用50 mm×50 mm×300 mm 的梁式試件，如圖1 所示。

圖1 半柔性瀝青混合料梁式試件

1.2.2 干縮試驗

將半柔性瀝青混合料放在水中浸泡1 d，取出后擦拭表面水分并量取試件的高度，再放入干燥存儲柜中14 d 后再次測量試件的高度，通過比較試件高度減少的百分率來計算干縮率。

1.2.3 力學性能試驗

抗壓強度試驗依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中T0713 進行，在圓柱形試件上引入荷載直至其斷裂。 抗彎拉強度依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）中T0715 進行，環(huán)境溫度為20℃，加載速率為10 mm/min。

1.2.4 抗滑性能試驗

抗滑性能試驗依據《公路路基路面現場測試規(guī)程》（JTG 3450-2019）中T0969-2019 進行，在車轍板上測試3 個測點的擺值，取平均值。

1.2.5 耐久性試驗

為模擬酸雨環(huán)境對混合料耐久性的影響，將試件浸入5%濃度的HCl 溶液中，分別浸泡30 min 與24 h 后進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，以兩者的百分比結果作為耐久性試驗結果。

2 試驗結果與分析

2.1 干縮率

廢膠粉/納米二氧化硅的半柔性瀝青混合料的干縮率如圖2 所示。 結果表明在加入納米二氧化硅后，半柔性瀝青混合料的干縮率顯著減小，但隨著納米二氧化硅摻量的增加其干縮率變化規(guī)律并不顯著。計算3%、4%、5%廢膠粉摻量的納米二氧化硅半柔性瀝青混合料干縮率的均值， 并與0%摻量進行對比，結果顯示其干縮率分別下降20.3%、33.3%以及52.7%。 這表明較大的廢膠粉摻量會增加半柔性瀝青混合料的干縮率，但納米二氧化硅可以改善這一現象。 陳海峰等[13]研究顯示廢橡膠粉顆粒過大會引起半柔性材料干縮率增大。 納米二氧化硅的摻入可加速水泥早期水化反應，在低摻量時，混合料中一部分吸附水轉為結合水，進而使得干縮率減小。但隨著摻量增加，大量的納米二氧化硅缺少足夠的水分，無法反應形成更多的C-S-H 膠凝相，因此其干縮率變化并不顯著。

圖2 半柔性瀝青混合料干縮率

2.2 抗壓強度

廢膠粉與納米二氧化硅的半柔性瀝青混合料的平均抗壓強度如圖3 所示。 結果表明，隨著納米二氧化硅摻量從0%增加至6%，7 d 抗壓強度顯著增加，3%、4%、5%廢膠粉摻量的半柔性路面抗壓強度分別提升15.1%、18.7%以及32.4%。 在納米二氧化硅摻量增加至8%時，3%、4%、5%廢膠粉摻量的半柔性路面抗壓強度相較于0%廢膠粉摻量時分別下降了26.0%、31.0%、19.8%。 這是由于隨著納米二氧化硅的摻入會加速與Ca（OH）2的反應，進而填充水泥顆粒間的間隙，從而使水泥砂漿密度增加，抗壓強度增加。 隨著納米二氧化硅摻量進一步增大至8%，大量的納米二氧化硅使得水泥水化水分不足，致使混合料結構松散，抗壓強度降低。

圖3 半柔性瀝青混合料抗壓強度

2.3 抗彎強度

半柔性瀝青混合料的抗彎拉強度值如圖4 所示。 結果顯示，隨著廢膠粉摻量增加，混合料的抗彎拉強度增加；隨著納米二氧化硅摻量增加抗彎拉強度先增加后減小，并在4%摻量時達到峰值，此時3%、4%、5%廢膠粉半柔性混合料彎拉強度最大值相較于0%廢膠粉摻量時分別提高了33.3%、34.5、28.1%。如前所述，產量較小時納米二氧化硅形成的致密灌漿材料可提升混合料的抗折強度，但過大的摻量會降低其力學性能。 圖中的斷點線對應《半柔性混合料用水泥基灌漿材料》（JT/T 1239-2019）對抗彎拉強度的要求，可以看出，僅有4%廢膠粉、8%納米二氧化硅摻量的半柔性混合料滿足要求。

圖4 半柔性瀝青混合料抗壓強度

2.4 抗滑性能

圖5 顯示了不同納米二氧化硅摻量下半柔性瀝青混合料的擺值。 由圖可知隨著納米二氧化硅摻量增加，混合料的BPN 值（擺值）在納米二氧化硅摻量為6%時達到峰值。 6%納米二氧化硅摻量情況下，3%、4%、5%廢膠粉混合料的BPN 值相較于0%廢膠粉摻量時分別增大了10.8%、10.0%、13.4%。 此外，3%廢膠粉混合料的BPN 值顯著大于4%、5%廢膠粉混合料。研究顯示[14]，廢膠粉粒徑摻量的增加會降低混合料的抗滑性能。 而納米二氧化硅通過提高混合料表面的疏水性能及自清潔性能，可改善混合料的表面紋理，進而提高抗滑性能[15]。

2.5 耐久性

圖6 顯示了不同的半柔性瀝青混合料在HCl浸泡下的耐久性變化?？梢钥闯鯤Cl 對廢膠粉的影響較為顯著，5%廢膠粉混合料的耐久性變化幅度顯著大于3%、4%廢膠粉混合料。 這是由于酸對廢膠粉的刻蝕作用[16]顯著，使得混合料內部產生結構性破壞，導致耐久性下降。 此外，在納米二氧化硅摻量4%時其耐久性達到最大值，相較于0%廢膠粉混合料，3%、4%、5%廢膠粉混合料的耐久性分別提高3.3%、4.0%、5.1%。

3 結論

（1）納米二氧化硅的摻入可以改善半柔性瀝青混合料的干縮現象，但摻量對干縮性能的影響不顯著。 （2）納米二氧化硅的摻量增加可以提高半柔性瀝青混合料的力學性能，但摻量超過6%后，混合料的力學性能顯著降低。 （3）廢膠粉的摻量增加可以顯著提高半柔性瀝青混合料的抗彎拉強度，但過量的廢膠粉會降低其抗滑性能與耐久性。 （4）基于OGFC-16 中值級配的半柔性瀝青混合料，推薦納米二氧化硅摻量為4%～6%，廢膠粉摻量為3%～4%。